Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования ... 8
Глава 2. Теоретические иссщования процесса окорки лесоматериалов фрезами с групповым натяжением канатов 19
2.1. Кинематика процесса 21
2.2. Динамика процесса 36
Глава 3. Экспериментальные исследования процесса окорки лиственных лесоматериалов фрезами с групповым натяжением канатов 57
3.1. Экспериментальная установка и методика исследований 57
3.2. Проверка соответствия теоретического исследования динамики процесса реальным условиям окорки 64
3.3. Определение значений коэффициента сопротивления окорке 71
3.4. Определение необходимой кратности обработки лесоматериалов 77
3.5. Оценка долговечности канатов при окорке.. 94
Глава 4. Методика расчета основных параметров фрез с групповым натяжением канатов 104
Глава 5. Расчет экономической эффективности окорки лиственных лесоматериалов фрезами с групповым натяжением канатов 108
Основные выводы и рекомецвдйи 115
Список литературы 118
Приложения
- Состояние вопроса и задачи исследования
- Экспериментальная установка и методика исследований
- Определение необходимой кратности обработки лесоматериалов
- Методика расчета основных параметров фрез с групповым натяжением канатов
Введение к работе
В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" одним из основных направлений развития лесной, целлюлозно-бумажной и деревообрабатывающей промышленности является значительное повышение комплексной переработки древесного сырья, увеличение использования для выработки целлюлозы древесины лиственных пород / I /.
В результате интенсивной эксплуатации хвойных насаждений в Европейской части страны их запасы сократились и в связи с этим возникла необходимость в увеличении объемов заготовки и переработки древесины лиственных пород, что будет способствовать сокращению нерациональных перевозок круглых лесоматериалов из Сибири в центральные районы страны.
Необходимым условием комплексного и рационального использования древесного сырья при высокоэкономичном безотходном производстве различных видов продукции, является окорка сырья. Она позволяет использовать в качестве высококачественного сырья для ЦБП кусковые отходы лесопиления, которые составляют в среднем 22% объема распиливаемого сырья / 21 /. Окорка сырья способствует уменьшению расхода инструмента на 25%, повышению точности распиловки на 22% и дает возможность использовать кору, как технологическое сырье.
Окорка фанерного сырья способствует увеличению производительности лущильных станков на 5%, уменьшает износ лущильных ножей и прижимных линеек на 15-20%, позволяет использовать шпон-рванину в производстве щепы и сокращает время на гидро-
5 термическую обработку сырья / 46 /.
Окорка спичечного кряжа улучшает качество шпона, сокращает расход и количество переточек режущего инструмента оборудования.
Для рационального хранения и комплексного безотходного использования древесины, необходимо удаление коры практически со всех сортиментов, за исключением топливных дров. Однако в настоящее время окоривается только 1/3 часть лесоматериалов используемой в лесопилении и небольшое количество на фанерных заводах / 44 /.
Современное окорочное оборудование не полностью отвечает требованиям промышленности и экономики, поэтому процесс окорки лесоматериалов нуждается в дальнейшем изучении и совершенствовании.
Для дальнейшего развития окорки, наряду с усовершенствованием эксплуатируемого оборудования необходим выпуск новых кон-курентноспоеобных окорочных станков, в основном для окорки мерзлых и подсушенных лесоматериалов.
Исходя из этого цель настоящей работы - повышение эффективности процесса окорки лесоматериалов лиственных пород (березы и осины) канатными фрезами.
В процессе выполнения работы получены следующие новые научные результаты:
установлены кинематические характеристики процесса окорки лесоматериалов фрезами с групповым натяжением канатов;
выявлены динамические явления в процессе работы канатных фрез;
получены экспериментальные значения коэффициентов сопро-
тивления окорки и требуемой кратности обработки лесоматериалов лиственных пород;
проведена оценка долговечности канатов при окорке;
разработана методика расчета канатных фрез с групповым натяжением канатов.
Результаты полученных теоретических и экспериментальных исследований являются основой для разработки и создания на базе канатных фрез высокопроизводительных, конкурентноспособных окорочных установок.
На защиту выносятся следующие научные положения:
кинематические соотношения при окорке фрезами с групповым натяжением канатов;
математическая модель процесса окорки лесоматериалов фрезами с групповым натяжением канатов;
экспериментальные данные значений коэффициентов сопротивления окорке и требуемой кратности обработки лесоматериалов лиственных пород;
экспериментальные данные для оценки долговечности канатов при окорке.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
Окорка круглых лиственных лесоматериалов канатными вращающимися головками. - В кн.: Цути повышения научно-технического прогресса в лесном хозяйстве. - Саласпилс: НПО "Силава", 1983, с.115.
Экспериментальные исследования кратности обработки при окорке лесоматериалов гибкими короснимателями. - Депонирование рукописи. Библиограф.указ № 8 (142), 1983, с.92 (в соав-
7 торстве с В.К.Карповым и А.А.Добрачевым).
Экспериментальные исследования величины коэффициента сопротивления при окорке лесоматериалов гибкими короснимателями. - Депонирование рукописи. Библиограф.указ* № 8 (142), 1983, с.94 (в соавторстве с В.К.Карповым и А.А.Добрачевым).
Исследования усилий в гибком короснимателе. - Межвуз. сб.научн.тр. Л.: ЛТА, 1984, с.89.
Авторское свидетельство № 783008 "Устройство для окорки лесоматериаловп (в соавторстве с С.П.Бойковым и В.К.Карповым).
Авторское свидетельство № 990516 "Устройство для окорки лесоматериалов" (в соавторстве с С.П.Бойковым и В.К.Карповым).
Результаты исследований приняты к использованию Петрозаводским станкостроительным заводом и Петрозаводским конструкторским отделом головного конструкторского бюро деревообрабатывающего оборудования. (Приложение 4).
Состояние вопроса и задачи исследования
В настоящей работе рассматривается процесс окорки лесоматериалов лиственных пород - березы и осины.
Большая часть запасов, составляющая 1,9 млрд.м3, мягкой лиственной древесины приходится на березу и осину, из них возможные к эксплуатации - около 1,7 млрд.м3. Остальные запасы приходятся на тополь, иву, ольху, липу / 28 /.
Наибольшее распространение и хозяйственное значение имеют в основном два вида березы - бородавчатая и пушистая. Их древесина по твердости средняя между твердыми и мягкими породами. Древесина березы бородавчатой и пушистой отличается высокой прочностью, особенно при ударных нагрузках, она однородна по строению и цвету, имеет среднюю твердость и плотность. К недостаткам следует отнести малую стойкость против гниения.
По промышленному значению береза занимает первое место среди лиственных пород СССР. Характерная для березы область применения - производство лущенного шпона и фанеры. Древесина березы может быть применена для производства строительных деталей, ДСП, ДВП, целлюлозы, паркетных изделий, для получения форфурола и других лесохимических продуктов. Березовые дрова - основное сырье для сухой перегонки и углежжения, лучшее древесное топливо.
Древесина осины является основным сырьем в спичечном производстве. Способность легко раскалываться обусловливает использование ее для клепки под нефтепродукты, производства гонта. Белый цвет древесины позволил использовать ее для производства вискозной целлюлозы. Из древесины осины производят товары народного потребления. Ограничивает применение осины часто встречающаяся в растущих деревьях внутренняя гниль.
На процесс окорки значительное влияние оказывают строение и физико-механические свойства коры.
Кора имеет многослойную структуру, состоящую из наружного (отмершего) слоя, называемого коркой, а также лубяного и камбиального слоев. Луб служит для проведения питательных веществ и состоит из большого количества капиллярных трубок. Он легко отдает и поглощает влагу. Между лубом и древесиной расположен слой живых клеток (камбиальный). Рост ствола дерева обеулов-лен деятельностью клеток камбиального слоя, образующего все элементы ткани древесины и луба. Когда весной начинается рост дерева, ткань камбиального слоя разбухает, оболочки клеток становятся более тонкими и пластичными - слой камбия теряет прочность и кору можно легко снять со ствола. В зимний период оболочки клеток в камбиальном слое становятся толще и клетки теряют влагу, что обусловливает увеличение прочности связи коры со стволом. При окорке в летнее время на механическую связь коры с древесиной в значительной мере влияет степень насыщенности влагой камбиального и лубяного слоев. Чем выше влажность, тем легче разрушаются набухшие клетки камбия и луба.
Кора березы и осины имеет свои специфические особенности, которые в определенной степени затрудняют окорку лесоматериалов. В зависимости от породы, условий произрастания, возраста дерева, кора по отношению к общему объему ствола составляет у березы 13 -г 15%, у осины 14 - 15% и имеет значительный объемный вес, чем у коры хвойных пород. В таблице I приведены средние значения объемного веса и влажности коры деревьев срублен ных в июле /4 /.
Корка березы и осины более прочна, труднопроницаема для воды и газов, устойчива против химических реагентов, имеет волокнистое строение. Одревеснение клеточных оболочек камбия у лиственных пород наступает значительно раньше, чем у хвойных, усиление сцепления коры с древесным стволом у березы заметно увеличиваются уже в июне, у осины во второй половине августа. В то же время деятельность клеток камбиальной зоны у хвойных пород растягивается на более длительное время / 4 /, хотя толщина камбиальной зоны, содержащей живые клетки, у березы и осины несколько больше чем у сосны и ели. Экспериментально установлено, что с понижением температуры силы сцепления коры с древесиной возрастают в 3-5 раз. При этом сопротивление скалыванию коры вдоль волокон на 15-20% выше чем поперек волокон / 4 /.
Экспериментальная установка и методика исследований
Экспериментальные исследования проводились на установке, смонтированной на базе новой фрезы (авторское свидетельство № 990516) с групповым натяжением канатов. Общий вид установки и отдельно фрезы представлены на рис.3.1 и рис.3.2 соответствеї но. Схема экспериментальной установки показана на рис.3.3. Канатная фреза состоит из вала I, двух подвижных 2 и двух неподвижных 3 дисков, пружины 4, гибких окорочных инструментов в виде стальных канатов 5. Канаты поочередно крепятся одним концом к подвижному 2, а другим к неподвижному 3 дискам в результате чего обеспечивается независимая работа соседних канатов, что позволяет значительно повысить производительность канатных фрез. Использовались стальные канаты различных конструкций и типов (подробно в разделе 3.4). Привод фрезы осуществляется от асинхронного электродвигателя 6 мощностью 17 кВт, через коробку передач 7, обеспечивающую изменение угловой скорости фрезы в диапазоне (jfo =11,3 46,3 рад/с и клиноременную передачу 8.
На подающей тележке 9 кряж закрепляется в торцевых зажимах 10. Подача тележки с закрепленным кряжем осуществляется посредством цепи II и вариатора 12 с плавно регулируемым передаточным числом. Приводной электродвигатель 13 тележки соединен с вариатором через дополнительный редуктор, понижающий частоту вращения ведущей звездочки. Диапазон изменения скоростей подачи составляет от 0,1 до 2,5 м/с. Мощность привода тележки - I кВт.
Управление установкой осуществляется с пульта. Система позволяет реверсировать направление вращения канатной фрезы и подачу тележки. Остановка тележки в крайних положениях производится концевыми выключателями 14 и 15. Экспериментальная установка (рис.3.1) позволяет проводить исследования в условиях близких к производственным. Окорке подвергались круглые лесоматериалы лиственных пород древесины - березы и осины длиной б = 1»30т1,32м и диаметром (X -s 0,12 4 0,40 м. Учитывая большое влияние температрно-влажностного состояния древесины на пределы прочности коры и силы сцепления ее с древесиной, можно выделить три группы лесоматериалов с наиболее характерными физическими состояниями, значительно влияющими на процесс окорки - свежесрубленные, подсушенные и мерзлые К свежесрубленным лесоматериалам относились образцы перво группы с влажностью более 100% ( Wa } 100% при Г 7 0С), . которые подвергались окорке непосредственно после рубки деревьев, то есть срок хранения их на открытом воздухе не превышал одного месяца.
К подсушенным лесоматериалам относились образцы второй группы с влажностью менее 40% ( Wa 4 40% при t 0С) выдержанные после рубки на открытом воздухе не менее трех месяцев, при положительной температуре.
К мерзлым лесоматериалам относились образцы третьей группы, замороженные на открытом воздухе при отрицательной температуре f = - ЮС - 18С.
Определение влажности древесины производилось стандартным весовым методом, а температура наружного воздуха ртутным термометром.
Экспериментальные исследования проводились на всех трех группах лиственных (березовых и осиновых) лесоматериалов: первая группа - свежесрубленные, вторая группа - подсушенные, третья группа - мерзлые.
Возможность управлять процессом окорки позволяет провести активный эксперимент. Проверка соответствия теоретического исследования динамики процесса реальным условиям окорки и определение коэффициента сопротивления окорке проводились методом однофакторного эксперимента. Определение кратности обработки лесоматериалов проводилось методом многофакторного эксперимента.
Определение необходимой кратности обработки лесоматериалов
Необходимая кратность обработки Ют , обеспечивающая стопроцентное удаление всех слоев коры (участок I рис.3.10) определяет максимально допустимую скорость подачи лесоматериалов окорочных установок на базе канатных фрез / 3,6,7 /. Поэтому при анализе производительности окорочных установок данного типа важно знать значения необходимой кратности обработки лиственных лесоматериалов.
Результаты предварительных опытов показали, что т зависит от температурно-влажностного состояния, толщины коры Ак и диаметра и лесоматериалов, а также от монтажного натяжения канатов Рм и частоты вращения фрезы /7 р . В связи с этим целью эксперимента являлось определение аналитической зависимости в виде уравнения регрессии /71тsf(% d,K п для березовых и осиновых лесоматериалов. Для нахождения зависимости ҐПТ от вышеуказанных факторов использовался многофакторный эксперимент.
Первая группа опытов проводилась на мерзлых березовых лесоматериалах. Основные уровни и интервалы варьирования факторов были приняты на основании результатов предварительных опытов и технической возможности экспериментальной установки, обеспечиващие наилучшие условия процесса окорки.
Березовый кряж с различной кратностью обработки бы расчетная величина ҐҐІ за один проход лесоматериала была равна единице или двум. Для полного удаления коры с поверхности древесины совершалось необходимое количество проходов. Величина Мт определялась как произведение расчетной кратности обработки Л1 за один проход на требуемое число проходов.
Ввиду того, что /г?т необходима для определения максимально допустимых скоростей подачи лесоматериалов в процессе окорки и должна соответствовать наиболее трудным условиям окорки, в преобладающем большинстве случаев величина необходимой кратности обработки будет меньше ее фактического значения. С другой стороны, субъективная оценка качества окорки не позволяет определять /Т?г с высокой степенью точности. В связи с этим при выполнении эксперимента постулировалась линейная математическая модель процесса следующего вида где у - требуемая кратность обработки.
Для ее определения достаточен план на двух уровнях значений факторов - верхнем и нижнем (табл.3.1). Решение поставленной задачи может быть обеспечено реализацией всех возможных сочетаний уровней факторов, т.е. полным факторным экспериментом типа 2К / 53 /. При этом число опытов составит: А/ =2К =16, где к - число факторов, 2 - число уровней. Таже цель может быть достигнута использованием дробного факторного эксперимента/53 /, требующего выполнения меньшего количества опытов. В данном случае снижение числа опытов достигается использованием полуреплики 24- полного факторного плана 24: И/=24 =8. Максимальной разрешающей способностью обладает полуреплика, заданная генерирующим соотношением Х = Xj. Xg. Xg.
Из формулы (3.25) видно, что линейные эффекты смешаны с тройными взаимодействиями. Так как они обычно менее важны,чем парные, то выбранная система смешивания обеспечивает максимальную разрешающую способность выбранной полуреплики и следовательно, более независимые оценки коэффициентов линейного уравнения (3.24).
С целью обеспечения надежности получаемых в ходе эксперимента значений выходного параметра необходимо проведение в каждой точке факторного пространства параллельных опытов. Для определения их числа была проведена предварительная серия наблюдений при нулевых значениях переменных факторов (табл.3.1), результаты которых приведены в табл.3.2.
Методика расчета основных параметров фрез с групповым натяжением канатов
Основным параметром фрезерной окорочной установки является число канатных фрез. Исследованиями установлено, что в случае окорки бревен в узком диапазоне диаметров возможно обойтись четырьмя фрезами. При расширении диапазона число канатных фрез увеличивается.
Диаметр фрезы &ф необходимая длина рабочего каната ьг и установочная стрела прогиба каната Н рассчитываются по формуле (2.24) исходя из требуемого угла охвата ОІ для бревен минимального диаметра. Полученные значения проверяются по той же формуле для бревен максимального диаметра. При этом необходимо, чтобы где итх - максимальный диаметр бревен;
Дтх " максимальное перемещение подвижного диска при окорке бревен максимального диаметра. К основным технологическим параметрам установки относятся угловая скорость фрез, скорость подачи лесоматериалов, жесткость пружины фрезы. Угловая скорость фрезы непосредственно влияет на качество окорки и производительность установки.
105 Увеличение угловой скорости )у50 рад/с оказывает значительное влияние на динамику процесса и приводит к тому, что увеличивается доля периода при котором усилие в канате % =0 и фреза не производит окорки. На основании экспериментальных исследований конструктивно можно принять 60 =30 50 рад/с. Жесткость пружины Цо является основным фактором определяющим усилие в канате и следовательно интенсивность воздействия каната на бревно. Как показали экспериментальные исследования наиболее благоприятные условия для отделения коры без потерь древесины обеспечиваются при усилиях в канате от 10,0 кН до 30,0 кН. Поэтому целесообразно монтажное натяжение принимать 5,0 4 10,0 кН при жесткости пружины около 300,0 кН/м.
Усилие в канате Тк определяется решением дифференциальных уравнений (2.40) и (2.72) описывающих движение подвижного диска за время взаимодействия каната с бревном. Начальные условия для дифференциального уравнения (2.40) определяются началом взаимодействия каната с бревном ( =0, X = 0, X = 0). Кинематическое возбуждение Х определяется по формуле (2.25), где Q = 0,5 Ахтах , t0 - общее время взаимодействия каната с бревном в свою очередь определяется по формуле (2.23) при принятых значениях Д, Н, &). Дифференциальное уравнение (2.40) описывающее движение подвижного диска справедливо при v - с - (.0/ и пока не ВСТупит в силу ограничение [ctO-GOS-j f) - X+GCT J 0 показывающее, что усилие в канате Тк =0. Дальнейшее движение подвижного диска описывается дифференциальным уравнением (2.72). Начальные условия для которого находятся методом припасовывания. В ряде случаев возможен третий этап движения подвижного диска который насту 106 пает при [a (/- COS t)-X+QcrJ 0 и описывается дифференциальным уравнением (2.40). Начальные условия для которого определяются также методом припасовыва-ния. При выполнении вышеуказанных рекомендаций по выбору угловой скорости фрезы Сд. , жесткости пружины Спр и минимальной массе подвижного диска, тогда движение этого диска описывается одним дифференциальным уравнением (2.40).
В настоящее время наибольшее распространение и применение на лесных складах для поштучной окорки лесоматериалов, получили роторные окорочные станки, в т.ч. для окорки балансов и рудстойки ОК-35 и 0K-40-I. При одних и тех же условиях производительность станков 0K-40-I выше чем у ОК-35. Поэтому за базовый вариант для определения экономической эффективности принят станок 0K-40-I.
Высокая производительность фрезерной окорочной установки позволяет использовать ее в местах большого скопления балансов подлежащих окорке. Одним из таких мест являются подготовительные цехи целлюлозно-бумажных предприятий. На данных предприятиях для групповой окорки используются окорочные барабаны. Наиболее производительным является барабан КБ-ЮО.Это обстоятельство обусловило произвести также расчет экономической эффективности, приняв за базу окорочный барабан КБ-100.
Годовой экономический эффект, как отмечалось выше.расчитан дважды. Первый раз в сравнении с роторным окорочным станком 0K-40-I (базовый вариант № I) и в сравнении с окорочным барабаном КБ-100 (базовый вариант № 2).
